Разработка технологии получения термообработанного наполнителя для создания строительных, электротехнических и электронных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка технологии получения термооброботанного наполнителя для создания строительных, электротехнических и электронных материалов (научный проект)

Список исполнителей

1. Ведущий научный сотрудник Ташполотов Ы.- руководитель проекта;

2. Старший научный сотрудник Садыков Э.- ответственный исполнитель проекта;

3. Научный сотрудник Тойчуев Ж.Т. исполнитель проекта;

4. Младший научный сотрудник Сопубеков Н.-исполнитель проекта;

5. Лаборант Садыков Т. .-исполнитель проекта.

Ключевые слова:

Термообработанные наполнители, технологии получения, наполнители, резиновая смесь, дисперсность наполнителя, процессы термообработки угля, процессы термического разложения угля, теория самоорганизации, композиционные материалы, принципы оптимизации, фрактальные структуры, фрактальный анализ, полимерные (резиновые) композиты, электроизоляционные резинотехнические материалы.

Оценка современного состояния проблемы: В настоящее время актуализируется проблема сырья для производства высокотехнологичных материалов и изделий со специфическими свойствами. При этом основная тенденция в современной индустрии это создание экологически чистых материалов с широким спектром полезных свойств. Стратегическим направлением материаловедения является создание высокоэффективных материалов, обладающих повышенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами, а также разработка экологически чистых, ресурсосберегающих, экономичных технологий их получения. Среди новых материалов особое место занимают композиционные и дисперсные материалы, обладающие целым комплексом различных свойств, рациональное сочетание которых позволяет получать оптимальные конструкции.

Известно, что дальнейшее развитие промышленности создания и получения композиционных и дисперсных материалов неразрывно связано с постоянным расширением сырьевой базы, совершенствованием качества наполнителя и эффективности его производства. Анализ и прогнозная оценка различных композитных, дисперсных, керамических и других систем, являющихся основой для получения перспективных материалов с регулируемыми свойствами показывает, что наибольшее внимание уделяется синтезированию композитных, керамических, дисперсных и высокоэластичных материалов на основе усиления их наполнителями, основным из которых являются порошки оксидных и других минералов, технический углерод и др. Поэтому исследование технологии получения высокодисперсных порошков термообработанного угля, ультрадисперсных частиц минерального сырья представляет несомненный научный интерес и практическое значение

Однако развитие исследовательских работ идет в основном по направлению их усовершенствованию за счет изменения состава, путем введения различных оксидных и других наполнителей.

Большое значение приобретают технологии, обеспечивающие получения материалов заданными и регулирующими свойствами с широким применением нерудных и техногенных отечественных сырьевых ресурсов.

Широкому использованию таких сырьевых ресурсов препятствуют переменный химический и фазовый состав и наличие различных примесей. При промышленной переработке стабилизация состава - основополагающая стадия технологического процесса.

Структуры современных материалов с новыми необычными свойствами также формируются в сильно неравновесных условиях, проходя через несколько стадий чередования устойчивых и неустойчивых состояний. При этом критических (бифуркационных) переходах образуются сильно неоднородные промежуточные фрактальные структуры. Описание их требует привлечения нетрадиционных подходов исследования

Цель проекта:

Целью проекта является разработка технологии получения термообработанного наполнителя для создания строительных, электротехнических и электронных материалов.

Объект исследования:

Исследуемыми объектами являются: термообработанные материалы, резиновая смесь, композиционные материалы, полимерные(резиновые) композиты, электроизоляционные резинотехнические материалы.

Методы исследований:

Методами, обеспечивающими достижение целей, являются проведение экспериментальных исследований на модельных образцах материалов и проведение теоретических исследований для определения выходных параметров.

Краткие результаты исследований:

За отчетный период по результатам теоретических и экспериментальных исследований нами выполнено:

1. Проведено исследование композиционных материалов.

2. Проведен анализ состояния теоретических исследований

3. По результатам анализа состояния теоретических и экспериментальных исследований определены основные направления предстоящих исследовательских работ по выполнению проекта. В частности, в настоящее время подготовлена технологическая документация и научная статья для публикации.

Степень внедрения:

В настоящее время подготовлена технологическая документация резинотехнических материалов. По результатам проведенных исследований сделан доклад на научно-технической конференции подготовлена 1 научная статья.

Эффективность:

В результате реализации проекта подготовлена технологическая документация электроизоляционных резинотехнических материалов для использования их в качестве электротехнических материалов.

Внедрение в народное хозяйство композиционных материалов позволит сократить импорт резинотехнических материалов от зарубежных стран и обеспечить отечественными резинотехническими изделиями.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Физико-химическиеособенности наполнителей

1.1 Влияние распределения наполнителя в матрице на физико-механические параметры

1.2 Наполнители резиновых смесей

1.2.1 Дисперсность наполнителя (размер частиц и удельная поверхность)

1.2.2 Адсорбционные свойства и прочности связи наполнителей

1.3 Изучение физико-химических свойств углеродных и минеральных наполнителей различной природы

1.3.1 Физико-технологические процессы термообработки угля

1.4 Кинетические процессы термического разложения угля

2.Взаимосвязь структуры и технологических свойств дисперсных систем

2.1 Теория самоорганизации и сложные (детерминированные) системы

2.2 Основные проблемы структурной механики дисперсных и композиционных материалов

2.3 Принципы оптимизации в материалах фрактальных структур с использованием самоорганизующих технологий

2.4 Фрактальный анализ структуры в дисперсно-наполненных полимерных(резиновых) композитах

3. Технология получения электроизоляционных резинотехнических материалов

Вывод

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время актуализируется проблема сырья для производства высокотехнологичных материалов и изделий со специфическими свойствами. При этом основная тенденция в современной индустрии это создание экологически чистых материалов с широким спектром полезных свойств. Стратегическим направлением материаловедения является создание высокоэффективных материалов, обладающих повышенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами, а также разработка экологически чистых, ресурсосберегающих, экономичных технологий их получения. Среди новых материалов особое место занимают композиционные и дисперсные материалы, обладающие целым комплексом различных свойств, рациональное сочетание которых позволяет получать оптимальные конструкции.

Известно, что дальнейшее развитие промышленности создания и получения композиционных и дисперсных материалов неразрывно связано с постоянным расширением сырьевой базы, совершенствованием качества наполнителя и эффективности его производства. Анализ и прогнозная оценка различных композитных, дисперсных, керамических и других систем, являющихся основой для получения перспективных материалов с регулируемыми свойствами показывает, что наибольшее внимание уделяется синтезированию композитных, керамических, дисперсных и высокоэластичных материалов на основе усиления их наполнителями, основным из которых являются порошки оксидных и других минералов, технический углерод и др. Поэтому исследование технологии получения высокодисперсных порошков термообработанного угля, ультрадисперсных частиц минерального сырья представляет несомненный научный интерес и практическое значение. Экономическая целесообразность таких исследований основывается на наличии в нашей республике крупнейших месторождений угля (Кара - Кече, Узгенский угольный бассейн и др.) и горных минеральных пород, а также развитием современных и перспективных технологий получения дисперсных наполнителей.

Однако развитие исследовательских работ идет в основном по направлению их усовершенствованию за счет изменения состава, путем введения различных оксидных и других наполнителей. В данное время новый уровень требований , которые предъявляют современная техника к свойствам композитных, керамических, дисперсных , высокоэластичных и других материалов заставляет искать другие возможности получения материалов обладающих более высокими термостойкостью, прочностью, пористостью, эластичностью, а для ряда областей применения - более высоким уровнем специфических свойств(электрических, магнитных, оптических, радиационных и др.).

Большое значение приобретают технологии, обеспечивающие получения материалов заданными и регулирующими свойствами с широким применением нерудных и техногенных отечественных сырьевых ресурсов.

В условиях нынешнего экономического положения суверенного Кыргызстана, когда политика государства направлена на формирование развитой социально-ориентированной рыночной экономики, как неотъемлемой части мировой экономики, привлечение местных сырьевых ресурсов для нужд и перспективного развития отраслей народного хозяйства является актуальней задачей. Этот процесс требует расширение фундаментальных исследований, имеющих технологическую направленность и обеспечивающих создание новых технологий и материалов на основе местных сырьевых ресурсов. Поэтому обеспечение промышленных предприятий новым сырьем из местных ресурсов является одной из приоритетных задач.

Широкому использованию таких сырьевых ресурсов препятствуют переменный химический и фазовый состав и наличие различных примесей. При промышленной переработке стабилизация состава - основополагающая стадия технологического процесса.

Физико-химические и прочностные свойства таких материалов будут определяться с одной стороны природой и свойствами компонентов наполнителя, с другой - распределением наполнителя в матрице, типом структур, которые образуют частицы наполнителя, контактными взаимодействиями между частицами и процессами на поверхности наполнителя. Основной задачей в этом случае является получение и обеспечение максимального проявления полезных свойств наполнителя в получаемой композиции.

Новым достижением в области получения широкого спектра многокомпонентных композиционных, керамических, дисперсных, высокоэластичных материалов может стать комплексное использование концентратов россыпных кварцевых месторождений, термообработанных угольных мелочей, мелочи базальтовых горных пород и других с целью включения их в качестве наполнителя непосредственно без дополнительной технологической обработки (измельчения, фракционирования и др.). Наличие в них минеральных ассоциаций позволяет, минуя ряд промежуточных операций, при минимальных затратах получать композиционные, дисперсные порошки для создания на их основе новых конструкционных, композиционных, дисперсных и других материалов.

Структуры современных материалов с новыми необычными свойствами также формируются в сильно неравновесных условиях, проходя через несколько стадий чередования устойчивых и неустойчивых состояний. При этом критических (бифуркационных) переходах образуются сильно неоднородные промежуточные фрактальные структуры. Описание их требует привлечения нетрадиционных подходов исследования.

1.Физико-химические особенности наполнителей

В технологии производства композиционных, дисперсных, высокоэластичных и других материалов применяются разнообразные наполнители (углеродные, кремнекислотные, металлические, порошки оксидных минералов и др.). В последнее время введены новые численные характеристики неупорядоченных структур, к которым относятся углеродные наполнители - агрегаты технического углерода, кремниевые наполнители - агрегаты диоксида кремния и различные минеральные наполнители.

В отличие от металлических наполнителей, углеродные, кремниевые лишены оксидной пленки, что благоприятно сказывается на стабильности и повторяемости физико-химических, электрофизических параметров композиционных и дисперсных материалов (КМ, ДМ). К достоинствам углеродного наполнителя следует отнести высокую стабильность его свойств и независимость свойств поверхности от технологии получения наполнителя.

В отличие от металлических наполнителей, углеродные лишены оксидной пленки, что благоприятно сказывается на стабильности и повторяемости физико-химических, электрофизических параметров композиционных и дисперсных материалов. К достоинствам также следует отнести высокую стабильность свойств углеродного наполнителя, независимость свойств поверхности от технологии получения наполнителя.

Все наполнители должны отвечать следующим требованиям:

Ш Высокая и достаточно однородная степень дисперсности;

Ш Минимальное содержание влаги и летучих веществ;

Ш Отсутствие посторонних механических примесей и включений;

Ш Отсутствие свободных минеральных кислот и растворимых в воде минеральных солей;

Ш Однородность;

Ш Стабильность в условиях хранения.

Твердые порошкообразные наполнители должны обладать высокой степенью дисперсности, обеспечивающей получение однородной смеси с равномерным распределением наполнителей, а также большей площадью контакта порошкообразного ингредиента с основным материалом, что необходимо для достижения высоких физико-механических показателей материала.

Значительное содержание влаги и летучих веществ в ингредиентах приводит к образованию пор и пузырей в материале при ее обработке и в процессе сушки или термической обработке вследствие усиленного выделения паров воды и летучих веществ под действием повышенных температур.

Следует иметь в виду, что ряд наполнителей может выполнять в составе смесей разные функции в зависимости от того, в каких количествах они берутся в данной смеси, а также с какими материалами и другими наполнителями они применяются.

При изготовлении смеси необходимо соблюдать определённые условия (температура, механическое воздействие и прочие), при которых не происходило разложение других компонентов смеси. Для получения вполне однородной смеси необходимо тщательное перемешивание компонентов.

1.1 Влияние распределения наполнителя в матрице на физико-механические параметры

При смешивании компонентов КМ и ДМ происходит изменение параметров наполнителя: наполнитель «обкатывается», изменяется гранулометрический состав и форма частиц, происходит механически удаление оксидной пленки. При этом физико-механические характеристики такой структуры зависит в общем случае от количества непосредственных контактов между частицами, приходящегося на одну частицу. Другими словами физико-механические параметры является функцией количества межчастичных контактов приходящихся на одну частицу.

Академик П.А. Ребиндер выделял три вида контактов в дисперсных системах:

- непосредственный или атомный контакт;

- пластифицированный или коагуляционный;

- фазовый.

Регулирования свойств КМ, ДМ и др. , в общем, основываются на создании структуры требуемого вида из частиц наполнителя и дальнейшей фиксацией полученного отверждением матрицы.

Эффективным средством ориентации частиц является приложение к системе внешнего электрического или магнитного поля, в том случае, если частицы чувствительны к этим воздействиям.

В качестве геометрического параметра наиболее полно характеризующего внутреннее поровое пространство КМ и ДМ определяется фрактальная размерность агрегатов частиц.

Известно, что упруго-прочностные свойства наполненных композитов зависят от фрактальной размерности наполнителя. Показано, что с увеличением фрактальной размерности вначале прочность при разрыве уменьшается, но после некоторого критического значения начинает медленно возрастать. То есть материалы с более высоким значением фрактальной размерности обладают большей прочностью.

В качестве практического примера рассмотрим полимерные композиционные материалы.

1.2 Наполнители резиновых смесей

Одним из важнейших процессов технологии резины является усиление эластомеров дисперсными наполнителями, основным из которых является технический углерод.

Эффект от применения наполнителей наблюдается только при значительном количестве в резиновой смеси, поэтому они применяются в больших дозировках, от 15-20 до 100% , а иногда и более 100 % от массы каучука. Наполнители различным образом влияют на свойства резины.

Наполнители подразделяются на неактивные и активные наполнители, часто называемые усилителями. Усилители увеличивают предел прочности при растяжении резины, сопротивление истиранию и раздиру. Неактивные или инертные наполнители не повышают физико - механических свойств резины. Однако, различие оказывается достаточно выраженным только при применении наполнителей с натуральным каучуком. Таким образом, характер действия наполнителей в значительной степени зависит от природы каучука.

Усиливающее действие наполнителей наблюдается только в эластичных резинах. В твердых вулканизатах, эбонитах все активные наполнители оказываются инертными.

Все наполнители в той или иной степени влияют на технологические свойства резиновых смесей, т.е. на способность их шприцеваться, каландроваться, на усадку и жесткость; все наполнители повышают твердость и понижают эластичность резины.

Следует отметить, что повышение предела прочности при растяжении под действием активных наполнителей оказывается очень заметным и в не вулканизованных резиновых смесях.

Инертные наполнители применяются, главным образом, с целью экономии каучука и удешевления резины. Их применение может приводить к улучшению технологических свойств резиновых смесей и влиять на особые свойства резины, например, на стойкость к действию агрессивных сред.

Введением наполнителей можно влиять на физико- механические свойства резины, изменяя их в нужном направлении в соответствии с требованиями и условиями практического применения резиновых изделий. Под усилением каучука наполнителем понимается такое изменение свойств вулканизатов, в результате которого увеличивается предел прочности при растяжении, сопротивление истиранию и раздиру, возрастают напряжение при данном растяжении и твердость. Эластичность же при усилении, как правило, уменьшается. Уменьшение эластичности вызывается, по - видимому, тем, что в результате взаимодействия каучука с наполнителем ограничивается свобода движения молекулярных цепей каучука. При введении усиливающих наполнителей изменяются также свойства невулканизованных смесей, в частности понижается их пластичность. Иногда, например, при введении канальных саж, изменяется способность смесей к набуханию: смеси через некоторые время набухают ограниченно и могут растворяться только после дополнительной механической обработки.

При сравнении механических показателей вулканизатов, наполненных различными ингредиентами, с показателями ненаполненных резин можно установить влияние ряда основных свойств наполнителя на усиление каучука. К таким свойствам, определяющим прочность связи наполнителя с каучуком, относятся: дисперсность, форма частиц, характер функциональных поверхностных групп.

1.2.1 Дисперсность наполнителя (размер частиц и удельная поверхность)

С возрастанием степени дисперсности наполнителя увеличивается поверхность его соприкосновения с каучуком. В смесях с одинаковым содержанием наполнителя поверхность соприкосновения его с каучуком увеличивается обратно пропорционально среднему диаметру частиц. Увеличение поверхности наполнителя означает возрастание поверхностной энергии, величина которой тем больше, чем меньше размер частиц (благодаря возрастанию кривизны поверхности)[1- 4].

Наибольшими усиливающими свойствами обладают наполнители с частицами коллоидных размеров (100 - 10 ммк). Дальнейшее уменьшение размеров частиц затрудняет получение однородных дисперсных систем каучук - наполнитель вследствие усиленной агломерации частиц наполнителя.

С уменьшением размера частиц усиливающих саж предел прочности при растяжении, сопротивление на раздир, истирание и твердость вулканизатов увеличиваются, удлинение их и пластичность сырых смесей уменьшаются. При этом эластичность, измеряемая по упругому отскоку, линейно уменьшается, а теплообразование растет по мере уменьшения размера частиц и увеличения степени наполнения.

Форма частиц. Влияние формы частиц наполнителя на свойства резины, особенно на сопротивление раздиру, значительно; на механическую прочность резины форма частиц (в пределах величины коллоидных частиц) не влияет.

Наилучшей формой частиц наполнителя является такая, при которой размеры ее одинаковы по трем осям. Если одна ось значительно больше двух других (частицы в форме палочек) или значительно короче двух других (частиц пластинчатой формы), то резиновая смесь приобретает сильно выраженную анизотропную структуру. При направленных механических воздействиях, например при каландровании и шприцевании, частицы таких наполнителей ориентируются по большим осям в направлении действующей силы. Анизотропная структура остается почти неизменной и в вулканизатах, в отличие от анизотропии каучука, возникающей в результате каландрового эффекта.

Анизотропия резин может быть обнаружена следующим образом:

· если при постоянном растяжении отношение толщины образца к его ширине остается таким же, как в ненаполненной резине, значит наполнитель изотропен; уменьшение этого отношения свидетельствует об анизотропности наполнителя;

· по характеру кривых нагрузка - растяжение, полученных при растяжении образцов в трех направлениях; в направлении больших осей частиц наполнителя, под углом к большим осям и перпендикулярно им. При испытании резины с анизотропными наполнителями (например, каолинами) кривые нагрузка - растяжение имеют различный характер. При растяжении в направлении больших осей кривая отклоняется к оси нагрузок; при растяжении в направлении, перпендикулярном к большой оси, кривая отклоняется к оси растяжения, а при растяжении под углом к большой оси - занимает среднее положение;

· при равном количестве частиц наполнителя в единице объема смеси анизотропные наполнители сообщают вулканизатам большие остаточные деформации;

· смеси с наполнителями, частицы которых имеют пластинчатую форму, легче подвергаются раздиру в направлении больших осей, так как пластинчатые частицы при каландровании и шприцевании располагаются параллельно действующей силе, т. е. смеси также приобретают анизотропную структуру.

Анизотропными наполнителями являются углекислая магнезия, каолины, бариты молотые и окись цинка ; изотропными - сажи.

Модули смесей. Было установлено, что модули Юнга резиновой смеси аналогичны вязкости суспензии симметричных твердых частиц в жидкости (при отсутствии взаимодействия между частицами в суспензии). Зависимость вязкости от концентрации суспензии может быть выражена уравнением (выведенным из уравнения Эйнштейна):

0(), (1.1)

где 0- вязкость жидкой среды; - отношение объема твердых частиц к общему объему суспензии.

При повышенных концентрациях суспензии, когда частицы могут взаимодействовать, уравнение (1.1) приобретает следующий вид:

0(+14,12) (1.2)

При повышенных концентрациях наполнителей, обычно применяемых в практике, модули М наполненных резин могут быть выражены аналогичным уравнением:

0(+14,12), (1.3)

где М0 - модуль ненаполненной резины.

Это уравнение справедливо для изотропных наполнителей. Если же наполнители анизотропны, уравнение (1.3) приобретает несколько иной вид:

0(1+0,67ff2 2), (1.4)

где f - отношение длины частицы наполнителя к ее поперечному размеру.

Таким образом, модули резин зависят от количества вводимых наполнителей (так называемый объем загрузки) и от формы их частиц.

1.2.2 Адсорбционные свойства и прочности связи наполнителей

Адсорбционная способность гидрофобных наполнителей рассматривается как показатель их активности. О зависимости между адсорбцией и усиливающим эффектом наполнителя (например, какого - либо типа сажи) судят по механической прочности резины: в ряде случаев наблюдается прямая зависимость прочности от величины адсорбции и одновременно от величины удельной поверхности наполнителя[1-4].

Для гидрофильных наполнителей (например, каолинов) существует обратная зависимость: усиливающее действие каолинов на каучук обратно пропорционально их адсорбционной способности.

Влияние сажи на процессы и свойства резины связано со свойствами ее поверхностного слоя. Было установлено наличие в поверхностном слое сажи различных функциональных групп: альдегидных, гидроксильных, хинольных, и других, часть из которых некоторые содержит двойные связи.

Тип функциональных групп на поверхности сажи зависит от процесса ее получения и природы исходного сырья.

На поверхности сажи из нефтяного и каменноугольного сырья возможно образование сернистых структур, которые еще мало изучены.

Характеристикой химической природы сажи являются элементарный состав и рН водной суспензии.

Рентгенографические исследования при растяжении вулканизатов, содержащих газовую канальную сажу, показали, что вокруг частиц сажи возникает область увеличенного напряжения и, чем меньше частиц сажи, тем больше напряжение вокруг них; это указывает на особое состояние каучука вблизи поверхности наполнителя.

По способности упрочняться при наполнении усилителями каучуки весьма резко разделяются на две группы. Наибольшее усиление наблюдается для некристаллизующихся каучуков (СКС, СКН). Так, при введении газовых канальных саж прочность вулканизатов на основе этих каучуков увеличивается в 10-12 раз по сравнению с прочностью вулканизатов незаполненных смесей. Прочность вулканизатов на основе кристаллизующихся каучуков (натуральный, хлоропреновый, бутилкаучук) при усилении наполнителями увеличивается незначительно (в 1,1 - 1,6 раза больше чем вулканизатов незаполненных смесей). Введение усилителей в такие каучуки требуется для повышения сопротивления вулканизатов истиранию. При растяжении кристаллизующихся каучуков происходит их частичная кристаллизация. Образующиеся кристаллиты играют роль активных наполнителей и придают резинам повышенную прочность. Кристаллиты каучука тонко диспергированы в резине и весьма тесно связаны с аморфной фазой. Слабое влияние активных наполнителей на прочность резин и кристаллизующихся каучуков и обусловлено тем, что к моменту разрыва, благодаря такому самоусилению каучука, резина содержит близкое к оптимальному наполнению количество кристаллитов. Поэтому дополнительное введение активных наполнителей не сказывается на усилении каучука.

Создать достаточно точную и обоснованную теорию усиления каучука до настоящего времени не удалось из-за целого ряда факторов, влияющих на усиление. Все известные теории усиления можно разделить на физические, которые численно доминируют, и химические; в ряде работ допускается зависимость усиления от физических и химических процессов.

Первоначальные теории усиления резиновых смесей (при их оптимальном наполнении), излагались примерно следующим образом:

1. каучук образует в смеси не непрерывную, а дискретную фазу и состоит из отдельных структурных единиц, более крупных, чем индивидуальные частицы усиливающей сажи;

2. слои сажи окружают каждую макромолекулу каучука и образуют комплекс каучук - сажа, которые связаны между собой поверхностными силами притяжения. Образование таких структур возможно, когда величина макромолекул существенно больше размера частиц сажи. Дополнительные количества сажевых частиц заполняют пустоты между комплексами каучук - сажа;

3. сажа, добавленная после заполнения пустот, действует расклинивающим образом, раздвигая комплексы с прогрессивным уменьшением эффекта усиления.

Механизм усиления каучукоподобных веществ активными наполнителями заключается, главным образом в том, что присутствие частиц наполнителя способствует выравниванию напряжений в полимере. В эластичном полимере пространственная макромолекулярная сетка построена нерегулярно, поэтому при деформации в некоторых элементах ее возникают значительные перенапряжения, приводящие к разрыву макромолекул; большая же часть сетки полимера при этом либо вовсе не напряжена, либо напряжена очень слабо.

В каучуке, смешанном с активными наполнителями, значительная часть пространственной сетки полимера адсорбирована на поверхности частиц наполнителя, причем сила связи макромолекул с частицей наполнителя больше чем сила взаимодействия макромолекул между собой, и меньше, чем их прочность. Благодаря такой промежуточной силе связи величина перенапряжений, возникающих в полимерной сетке при деформации, не может быть больше адсорбционных сил. Как только перенапряжение на каком -либо участке полимера станет равным силе адсорбции, начинается десорбция напряженных макромолекул, вследствие чего при дальнейшей деформации напряжение не возрастает. Слабо же напряженные и не напряженные цепи сорбируются частицами наполнителя, и напряжение на этих участках возрастает.

Таким образом, при деформации каучука общее напряжение значительно равномернее распределяется между элементами пространственной сетки полимера, что приводит к увеличению модулей и предела прочности при растяжении. Разрыв наступает тогда, когда вследствие десорбции возможность выравнивания напряжений исчерпывается.

Кристаллиты каучука играют такую же роль, как частицы наполнителя, но в этом случае вместо поверхностной сорбции цепи макромолекул каучука преобразовываются в кристаллиты.

Повышение прочности объясняется самоусилением каучука. Величина предела прочности при растяжении не определяет, таким образом, степени сопротивления резины при других видах деформаций. Возможно, поэтому характеристикой резины, работающей при малых деформациях, не может служить величина предела прочности при больших деформациях.

Изложенные взгляды на механизм усиления определяют его с качественной стороны, но не дают представления о влиянии свойств наполнителей и степени наполнения на свойства каучука и характере изменения механических свойств вулканизатов в результате усиления.

Большинство других физических теорий усиления ставит свойства резиновых смесей в зависимость от характера связи между частицами порошкообразных наполнителей и каучуком и от структуры смеси каучук - наполнитель.

Согласно Б.А. Догаткину в смесях каучука с сажей могут существовать структуры двух типов:

1. Частицы сажи или их агрегаты беспорядочно распределены в массе каучука и изолированы друг от друга более и менее толстыми (в зависимости от степени наполнения) прослойками каучука.

2. Частицы активных саж (или других активных наполнителей), соединяясь, образуют сетку, пронизывающую всю массу каучука в различных направлениях, т.е. обе фазы в смеси непрерывны. В образовании сетки могут принимать участие все частицы активного наполнителя или часть его. По мере наполнения смесей увеличивается количество структур второго типа.

При значительном наполнении не все частицы наполнителя образуют цепочки; некоторые из них остаются в виде отдельных частиц или агломератов. Такие вкрапления снижают механическую прочность вулканизатов. Этим и объясняется, главным образом, уменьшение предела прочности и сопротивления раздиру вулканизатов в случае повышения оптимума наполнения. Чем выше дисперсность наполнителя, тем большее количество его частиц содержится в единице объема, поэтому образование непрерывной фазы наполнителя возможно при меньшем наполнении.

Химические теории усиления вносят некоторое дополнение в понимание сущности усиления и комплекса причин, вызывающих его.

В соответствии с современным пониманием валентности нельзя провести резкую грань между физическими Ван-дер-ваальсовыми силами и истинно валентными силами. Силы, возникающие между поверхностью частиц сажи и молекулами каучука, в большей части не являются ни чисто физическими (в смысле их обратимости), ни чисто химическими. На поверхности саж имеются различные функциональные группы, некоторые из них содержат двойные связи. Благодаря этому при вулканизации становится возможным взаимодействие между серой и сажей. Таким образом, сажа может входить в пространственную сетку полимера.

При образовании химических связей между каучуком и сажей должна уменьшиться ненасыщенность каучука; однако это экспериментально не установлено, хотя известно, что для усиления достаточно возникновения небольшого количества химических связей, и что в образовании сетки могут участвовать только те связи, которые находятся на расстоянии 3А от частицы сажи (при диаметре сажевых частиц 30 А); при таких расстояниях насыщается не более 1,5 % от общего количества ненасыщенных связей в полимере.

В соответствии с современными представлениями о причинах, вызывающих изменение свойств каучука при введении наполнителей, следует, видимо, признать, что усиление является результатом действия сил двух типов: сил притяжения между каучуком и частицами наполнителя и сил притяжения между частицами наполнителя.

Действие сил на поверхности раздела между каучуками и частицами наполнителя приводит к фиксации молекул каучука (в большей или меньшей степени) на поверхности сажи, т.е. молекулы каучука становятся значительно менее подвижными. Силы протяжения между частицами сажи способствуют образованию жестких сажевых структур. Обе силы действуют аддитивно.

При деформациях необходимо учитывать обе эти силы. Возможно, что взаимодействие каучука с сажей осуществляется и химическими силами, но данное положение в научном плане окончательно не доказано.

Таким образом, при выборе усилителя необходимо исходить из следующих требований:

· он должен быть высокодисперсным;

· гидрофобным;

· обладать способностью адсорбировать лиофильные вещества.

Благодаря этим свойствам и достигается активное взаимодействие между частицами усилителя и каучука, но ни одно из этих свойств в отдельности не может обеспечить усиление.

1.3 Изучение физико-химических свойств углеродных и минеральных наполнителей различной природы

Исследование физико-химических свойств углеродных и минеральных наполнителей позволяет дать оценку адсорбционной активности, физико-химических свойств поверхности порошкообразных частиц и прогнозировать поведение в композитах и дисперсных системах.

Дисперсные единицы минеральных и углеродных наполнителей формируются в результате термического разложения(пиролиза) каменного, бурого угля и горной породы при ограниченном доступе воздуха. При этом дисперсионный характер образования частиц угля и тонкоизмельченных горных минеральных пород приводит к получению дисперсных единиц изометрической формы.

Согласно существующим представлениям, характерной чертой углеродных наполнителей является их способность образовывать коагуляционные структуры.

наполнитель адсорбционный резинотехнический

1.3.1 Физико-технологические процессы термообработки угля

До настоящего времени нет универсальной концепции переработки угля, так как различаются исходное сырье и, главным образом, требования на углеродных наполнителей реальных и потенциальных потребителей. Анализ процессов термообработки угля показывает, что в последнее время имеет место перехода от применения внешнего нагрева угля к внутреннему нагреву.

Известно, что термическая переработка угля представляет собой сложный комплекс физико-технологических явлений. К ним относятся: нагрев частиц угля, испарение содержащийся в них влаги, деструкция угля, крекинг и горение летучих веществ, физико-химические превращения минеральной части угля, гетерогенное реагирование твердого остатка (кокса).

Полное отображение всех процессов и зависимостей, имеющих место при пиролизе, термообработки угля, затруднительно. Поэтому, вводя определенные допущения и ограничений необходимо смоделировать микромеханизмы, управляющие динамикой термохимических превращений.

Ясно, что нагрев и реагирование зернистого шихтового слоя протекает в четыре отчетливо различных этапа: сушка, пиролиз, эндотермическое реагирование и горение твердого остатка. Однако, считая, что процесс термообработки угля в целом зависит от скорости и конечной температуры нагрева значительно облегчает расчеты, так как отпадает необходимость идентифицировать отдельно все эти факторы.

Условно процесс образования кокса можно разделить на стадию образования полукокса (нагрев коксуемой массы до температуры 5000С) и стадию получения кокса (температурный интервал термообработки 500-10000С).

Поэтому в процессе обжига угля в печи определяющими параметрами являются максимальная температура нагрева и время выдержки при этой температуре (скорость нагрева). Для количественного описания процессов термообработки с учетом их конкретных и специфических особенностей необходимо сначала рассмотреть задачу о нагреве отдельных кусков угля. Решение этой задачи базируется на теории теплопроводности. Поток тепла в твердом теле определяется законом Фурье:

(1.1.)

где - матрица теплопроводности определяется коэффициентами теплопроводности вдоль и перпендикулярно слоистости угольной шихты.

Тогда поток тепла определяет рост температуры угля:

(1.2)

Приравнивая (1.1.) и (1.2), преобразуя и вводя обозначение для коэффициента температуропроводности , получаем:

(1.3)

или

При решении конкретных задач, полезна замена: х> у> , z> , тогда уравнение (1.3.) или примет

вид: (1.4.)

Предположим, что угольная шихта имеет вид цилиндра.

Тогда процесс термообработки угля можно моделировать как прогрев плоского куска угля в его центральной части. В качестве граничных условий выберем;

(1.5.)

Теплопроводность перпендикулярно слоям, поэтому

(1.6.)

Решение уравнение (1.6.) примет вид;

Т (t,z)=T1 + (1.7)

где Т1- конечная температура, Т0 - начальная температура.

Из (1.7) видно что распределение температуры в угольной шихте зависит в первую очередь от значения конечной температуры и от разности Т1- Т0.

Определим, теперь КПД печи. В данном случае КПД коксовой печи выражается: (1.8)

Где m и с - масса и теплоемкость угольной шихты, разность температур газовой среды - теплоносителя угольной шихты.

Тогда (1.9)

где V1, V2- объемы печи и соответствующих зон, плотность угля;

Таким образом, чтобы повышать КПД коксовой печи необходимо расширение зоны обжига до пределов, определенных термостойкостью термообрабатываемого угля.

1.4 Кинетические процессы термического разложения угля

Разнообразие углей по структуре и свойствам ставят перед исследователями задачу, поиска путей использования переработки углей топливного и нетопливного назначения.

Уголь представляет собой многокомпонентную горную породу, состоящую из неоднородной органической массы угля, влаги и минеральных включений различного состава. Все эти компоненты, находясь во взаимодействии, образуют дисперсную систему, формируют общую физико-химическую и технологическую характеристику угля. На основе результатов работы [1] минеральные включения М угля можно произвести по эмпирической формуле:

М = 1,10А + 0,55Sпир + 0,87СО2карб - 0,10Fe2O3 - 2,75SA + 2,325Sсульф.

где М - содержание минеральных веществ в угле (%), А - зольность угля (%), Sпир - содержание пиритной серы в угле (%), СО2карб - содержание в угле карбонатного диоксида углерод (%), Fe2O3- содержание оксида железа в золе угля (%), SА - содержание серы в золе угля (%), Sсулье - содержание сульфатной серы в угле (%).

В процессе пиролиза угля протекают параллельно - последовательные реакции, осуществленные, в основном диспропорционированием водорода.

Процесс пиролиза теоретически можно рассмотреть в рамках формальной кинетики. Кинетические уравнения процесса термического разложения углей получим на основе следующей кинетической схемы:

Рис 1. Кинетическая схема энергетического разложения угля.

К1,К2,К3,К4,К5,К6, - константы скорости соответствующего превращения.

Согласно рис.1, можно составить следующие кинетические уравнения.

(2)

где У,Ж,Т и Г - массовые доли соответствующих компонентов, t - время.

Согласно закона сохранения массы У+Ж+Т+Г=1.

После интегрирования системы дифференциальных уравнений (2) при начальных условиях t=0, у=у0=1, Г= Ж=Т=0 получим

здесь

Г(t) = У0+У(t) +Ж(t) +Т(t). (6)

Полученные уровнения показывают сложную зависимость выхода продуктов пиролиза углей от времени.

2. Взаимосвязь структуры и технологических свойств дисперсных систем

2.1 Теория самоорганизации и сложные (детерминированные) системы

Задачи контроля и управления технологическими процессами часто приводят к необходимости моделирования движения структурированных неоднородных сред. Как правило, сведения о свойствах отдельных элементов структурированных сред и особенностях процессов взаимодействия между ними отсутствуют или же получение их затруднительно. Поэтому для изучению кооперативных эффектов, имеющих место при структурировании элементов неоднородных сред, целесообразно использовать представления теории самоорганизации.

Теории самоорганизации изучает поведение сложных систем, условия их устойчивости природу неустойчивостей и эволюцию систем вдали от термодинамического равновесия.

Исследования последних лет показывают, что явления в средах со сложной неупорядоченной структурой часто обнаруживают масштабную инвариантность (фрактальность) пространственных и временных свойств.

Теория самоорганизации показывают, что траектория в фазовом пространстве, описывающая эволюцию системы со сложно организованной внутренней структурой, оказывается очень чувствительной к малым возмущением, обдадая многими точками бифуркации. В такой ситуации резко возрастает роль малых величин и эффектов, которые, будучи задействованы вовремя, позволяют управлять процессами самоорганизации, направляя их желательным образом.

Показано, что возникновение и взаимодействие зародышей новой фазы приводит к синергетическим эффектам, целенаправленное использование которых может открыть новые возможности управления технологическими процессами.

Равитие теории самоорганизации показало, что основные особенности динамики и геометрии сложных систем удается описать с помощью достаточно простых детерминированных моделей. При этом одни и те же базовые модели описываюткооперативное поведение в системах различной природы. Множество фактов проявления свойство самоподобности в объектах неживой и живой природы было найдено Бенуа Б. Мандельбротом, который для обозначения этого свойства ввел понятие фрактала-структура, состоящей из частей которые подобны друг другу.

Фрактальная геометрия представляет методы их качественного описания.1

Примером идеального фрактала является треугольник В. Серпинского, рис.1.1.)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

К=1 К=2 К=3

Рис.1.1. Треугольник Серпинского.

На первом этапе исходный треугольник делится на 4 разносторонних треугольника, средний из которых выбрасывается. С каждым из оставшихся треугольников поступают так же. На к-м этапе мы будем иметь 3к треугольников, которые при к образуют некоторое «всюду дырявое» множество точек. Это множество масштабно-инвариантно.

Весьма важным примером фрактальной кривой является траектория броуновской частицы. Ее фрактальность проявляется в том, что увеличивая разрешение микроскопа и уменьшая время между фиксациями местоположениями броуновской частицы, получим подобные друг другу блуждания.

При рассмотрении фрактальных объектов обычные количественные характеристики (длина, площадь, масса и.т.д.) оказываются неприменимыми. В связи с этим для количественной характеристики свойств фрактала используется размерность фрактала.

Для фрактальной кривой длина L Для характеристики фрактальных объектов используя фрактальную размерность, например размерность Хаусдорфа

где -минимальное число дисков диаметра , необходимых для покрытия фрактала. Если измерять таким образом длину L, то число окажется равным а показатель в соотношении (1.1) - 1 - Dн. Размерность Хаусфорда, таким образом, принимает вид Dн=1+d. . Размерность фрактальной кривой лежит между единицей и двойкой. Это означает, что фрактальная кривая занимает промежуточное положение между линией и плоскостью.

Образование фрактальных структур в природе происходит за счет таких механизмов, как кластеррообразование при агрегации отдельных частиц, растрескивание материалов, пробой диэлектриков, осадкообразование и.т.д.

Фрактальные размерности реальных объектов можно определить путем покрытия их фотографий квадратиками , и нахождением связи между числом квадратов N и длиной сторон квадратов .

Так как

Ln N

Поэтому в координатах должна получиться прямая линия, по угловому коэффициенту которой определяется величина Dн.

Если точки не лежат на одной прямой, то изучаемый объект нельзя считать фрактальным.

Фрактальные структуры, благодаря своей избыточности и нерегулярности, является устойчивыми системами. Следовательно и в технологических системах следует использовать или целенаправленно создавать фрактальные объекты в целях увеличения прочности и надежности конструкций и интенсивности процессов.

Анализ данных показывает, что случайныеколебания, возникающие в технических системах, часто имеют детерминированный характер. Они порождаются самой системой и поэтому могут служить важным источником информации о ее внутренних характеристиках.

Таким образом, сомоподобие не только поддается измерению, но и можно его с успехом использовать при пректировании фрактальных структур и материалов, отличающихся большей долговечностью или более низкой стоимостью.

2.2 Основные проблемы структурной механики дисперсных и композиционных материалов

Производство дисперсных и КМ связано с технологическими процессами получения материалов с прогнозируемыми свойствами, определения оптимальных режимов их изготовления и условий последующей эксплуатации. Решение этих задач требует развитие количественной теории процессов структурообразования и методов описания физико-технических свойств материалов.

Структура полидисперсных композитных сред представляет собой сложный ансамбль макро- и микроэлементов, различных по своим физико-химическим свойствам, гранулометрическому составу, разнообразных по форме, распределенных в объеме композита и взаимодействующих между собой. Однако с развитием теории фракталов появилась возможность описывать иерархическиеструктурные состояния системы.

Математические основы фракталов были заложены Б. Мандельбротом в монографии «Фрактальная геометрия природы».

Основой теоретического изучения диспесных систем является построение математической модели структуры дисперсных систем, с помощью которой можно рассчитывать их структурные и физико-механические характеристики.

Анализ комплекса требований к реальным материалам показывает, что нельзя получить в одном материале все требуемые свойства. Поэтому необходима углубленного изучения влияния на структурные свойства материала таких характеристик как формы и геометрических свойств частиц наполнителя, гранулометрический состав, а также характеристики, обусловленные взаимодействием частиц в ансамбле: пористость, числом площадь контакта, плотность упаковки, фрактальная размерность. Наряду с этим структурные свойства оцениваются по прочности, водопоглощению, горючести, морозостойкости и стойкость в агрессивных средах.

Известно, что основой для рассмотрения с единых физико-химических позиций процессов структурообразования в весьма разнообразных по химическому составу, физическим свойствам и назначению дисперсных системах является характерное для всех них сочетания важнейщих факторов: диспесности, вида контактов, концентрации дисперсной фазы.

Представления о структуре тесно связваны с методами описания процессов коагуляции, а также устойчивости дисперсных систем.

В настоящее время существующие методы исходят из рассмотрения по сути парных взаимодейсвий между дисперсными частицами. Вместе подчеркивались необходимость и важность учета кооперативных эффектов в процессах коллективного взаимодействия в дисперсных системах.

2.3 Принципы оптимизации в материалах фрактальных структур с использованием самоорганизующих технологий

Рассмотрим структуру дисперсных систем. Известно, что большинство реальных дисперсных систем и материалов имеют неупорядоченную структуру, однако необходимо доказать, что они принадлежат к классу фракталов. Доказательства такого рода строятся на основе определения и анализа фрактальной размерности структур, особенно в реальных системах и материалах, представляет довольно сложную задачу. Однако теория фракталов позволяет описывать всю структуру дисперсной системы с помощью одного параметра - фрактальной размерности. Так как характерной особенностью КМ и ДМ является наряду с возможностью объединения полезных свойств отдельных компонентов, проявление ими новых свойств, отличных от свойств компонентов. В этом случае для КМ и ДМ открываются широкие возможности варьирования их физико-химических свойств исходя из только данных фрактальной размерности.

К настоящему времени достигнуто понимание того, что дальнейшее развитие науки о КМ и ДМ будет базироваться на закономерностях структурообразоваия из атомного и молекулярного уровней. Именно они «программируют» основные свойства вещества и процессов. Это требует знания алгоритма перехода от структуры атомного масштаба к структурам микро-, мезо- и макромира и фрактального анализа структурных перестроек.

Синергетика постулирует, что эффекты самоорганизации структур приводящие к их адаптации, могут возникать только в неравновесных условиях, т.е. при таком переходе реализуется универсальный алгоритм самоорганизации структур в точках бифуркации :



где m-показатель перестроек при адаптации структуры границ зерен (частиц наполнителя) в процессе их эволюции под внешним воздействием, Zn u Zn+1 = - критические значения управляющего параметра, Аm-мера адаптивности структуры, - мера устойчивости структуры.

При введении дисперсного наполнителя в матрицу (полимерную и.т.д.) дает большее число возможных перестроек (более высокую адаптивность), чем изменение температуры испытаний. Следовательно, и с этой точки зрения влияние наполнителя и температуры не эквивалентно.

Алгоритм самосборки частиц наполнителя на пути к максимальной устойчивости имеет вид:

В таблице 1, приведены расчетные спектры dn при dn 100 и значениях устойчивости i отвечающей: 0,618; 0,465; 0,380; 0,324; 0,285; 0,255; 0,232; и 0,213. Прогнозируемые спектры размеров устойчивых частиц наполнителя при самоуправляемом синтезе в условиях реализации линейной (m=1) и нелинейной (m=2) обратной связи в соответствии алгоритмом (А).

Таблица 1.

i		(dn)max	m	dn-1 ,
0,618	0,618	100	1	63,8	38,2	23,6	14,6	9,07	5,6	3,4
0,465	0,465 0,68	100	1	46,5	21.6	10,1	4.7	2,2

Подобные документы

• Технология полимерных композиционных материалов

  Способы получения полимерных композитов, тип наполнителя и агрегатное состояние полимера. Физико-химические аспекты упрочнения и регулирования свойства полимеров, корреляция между адгезией и усилением. Исследование взаимодействия наполнитель-связующее.
  
  реферат [21,9 K], добавлен 30.05.2010
  

• Влияние наполнителя на радиофизические характеристики композиционных материалов на основе полиэтилена

  Влияние графитовых наполнителей на радиофизические характеристики композиционных материалов на основе полиэтилена. Разработка на базе системы полиэтилен-графит композиционного материала с наилучшими радиопоглощающими и механическими показателями.
  
  диссертация [795,6 K], добавлен 28.05.2019
  

• Совершенствование технологии получения адсорбентов из местных полиминеральных глин

  Адсорбционные и каталитические свойства природных алюмосиликатов Узбекистана. Физико-химические свойства Навбахорского бентонита. Влияние активации на структуру алюмосиликатов. Структурно-сорбционные свойства естественных и активированных алюмосиликатов.
  
  диссертация [555,9 K], добавлен 19.06.2015
  

• Материаловедение

  Основные физико-механические свойства древесины. Процесс вулканизации синтетических каучуков. Технология получения бетонов – искусственных камневидных материалов. Материалы на основе пластмасс и их применение. Расшифровка марки стали 50А, чугуна ЧХ28.
  
  контрольная работа [31,9 K], добавлен 02.02.2015
  

• Влияние времени и температуры на деформацию. Механические свойства пластмасс

  Влияние времени на деформацию. Упругое последействие, влияние температуры на свойства материалов. Механические свойства материалов. Особенности испытаний на сжатие. Зависимость предела прочности пластмасс от температуры, неоднородность материалов.
  
  реферат [2,5 M], добавлен 01.12.2008
  

• Разработка газофазной установки полимеризации пропилена

  Сырьё для получения полипропилена и его полимеризация. Физико-химические и термодинамические основы процесса получения полипропилена. Металлоценовые катализаторы. Характеристика производимой продукции, используемого сырья и вспомогательных материалов.
  
  курсовая работа [189,8 K], добавлен 19.05.2014
  

• Резинопласты на основе полиэтилена и резиновой крошки

  Свойства и получение резинопластов. Механические свойства резинопластов. Свойства и структура термопластов, наполненных жесткими дисперсными наполнителями. Применение в качестве гидроизоляционных, кровельных материалов. Введение в полимер наполнителя.
  
  реферат [31,1 K], добавлен 15.05.2015
  

• Технологии получения и обработки строительных материалов

  Теплопроводность материала. Теплоизоляция строительных конструкций. Изучение влияния влажности на свойства древесины. Возникновение коробления при механической обработке сухих пиломатериалов. Изготовление отделочных материалов на основе полимеров.
  
  контрольная работа [156,0 K], добавлен 16.03.2015
  

• Свойства строительных материалов, чугуна и стали

  Механические свойства строительных материалов: твердость материалов, методы ее определения, суть шкалы Мооса. Деформативные свойства материалов. Характеристика чугуна как конструкционного материала. Анализ способов химико-термической обработки стали.
  
  контрольная работа [972,6 K], добавлен 29.03.2012
  

• Электротехнические материалы и их свойства

  Назначение и свойства электротехнических материалов, которые представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Пермаллои и ферриты.
  
  реферат [41,3 K], добавлен 02.03.2011
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам